集成电路工艺第七章：沉积

LPCVD 台阶覆盖和间隙填充 很好 SiO2 （用TEOS） 膜致密均匀性好 设备成本低
沉积速率低 沉积温度偏高


LPCVD Si3N4
LPCVD Si3N4的用途：
1. 在局部氧化（LOCOS）中，做氧化阻挡层
2. 做硬掩膜用于浅槽隔离 3. 用做电容介质

工艺： SiH2Cl2＋ 4 NH3→ Si3N4 ＋ 6 HCl ＋ 6 H2 温度： 700℃～800℃ 压力： 0.1～5.0Torr
SiCl4 ＋ H2 → Si＋HCl
SiH2Cl2＋ H2→ Si＋HCl
（用于常压外延）
（用于低压外延）
反应温度：1100～1200℃
反应压力：60～150Torr
射频感应加热
生长速率：300nm/分
外延设备：国内外现流行桶式反应炉

外延掺杂
在反应腔通入AsH3 、PH3、B2H6可实现砷、磷、硼 等杂质在外延中的掺杂，形成不同掺杂浓度的N型
主要做顶层的钝化层
各种CVD的特点比较
种 类 APCV D 沉积膜 种类
SiO2 （包括PSG、 BPSG） SiO2 （包括PSG、 BPSG）
反应能量 提供方式 电阻加热 热壁 电阻加热 热壁
沉积温度 沉积速率 （℃） nm/分 400
（TEOS）
特
点
100 10～15
膜均匀性差、针孔多、颗粒 多、台阶覆盖较好、沉积速 率非常高、用气量大成本高 膜均匀性好、颗粒少、台阶 覆盖非常好、成本低 国内外普遍采用
第七章：沉 积
化学气相沉积
7.1 引 言

本章重点介绍
化学气相沉积CVD（Chemical Vapor Deposition）
原理；CVD低温沉积SiO2薄膜、氮化硅Si3N4薄
膜及多晶硅poly－Si薄膜。

薄膜的概念
薄膜是指在衬底上生长的薄固体物质，在三维结构
中厚度远远小于长和宽。

薄膜特性（即集成电路对薄膜的要求）
1. 用2～10％的SiH4沉积SiO2：
SiH4＋O2 →SiO2＋H2
温度：450℃～500℃
压力：760Torr 缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。
2. 用TEOS（正硅酸乙酯）+臭氧的方法沉积SiO2： Si（C2H5O4）＋ 8 O3 → SiO2 ＋ 10 H2O ＋ 8 CO2
b. 降低玻璃的软化点温度易于平坦化
PSG的缺点：易吸潮，一般控制P2O5的含量在4
％以下。
2. 在APCVD SiO2时掺杂PH3、B2H6就能形成硼磷硅 玻璃（BPSG ）弥补PSG的不足，通常BPSG做为 第一层间介质ILD－1，回流温度：900 ℃ ～980 ℃
（a）回流前
（b）回流后


影响Si3N4薄膜质量的主要因素：
1. 总反应压力 2. 反应物浓度
3. 沉积温度和温度梯度


LPCVD Poly－Si（多晶硅）
LPCVD Poly－Si的用途：
1. 掺杂的Poly－Si在MOS器件中用做栅电极
2. 掺杂的Poly－Si做多晶电阻及桥联
3. PIP电容的上下电极

工艺： SiH4→ Si＋ 2 H2 温度：575℃～650℃ 压力： 0.2～1.0Torr 沉积速率：10～20nm/分

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掺杂的Poly－Si做栅电极的原因
1. 通过掺杂可得到特定的电阻 2. 与SiO2有优良的界面特性 3. 和后续高温工艺的兼容性 4. 比金属电极（如Al）更高的可靠性 5. 在陡峭的结构上沉积的均匀性 6. 实现栅的自对准工艺

原位掺杂Poly－Si：AsH3、PH3、B2H6

非原位掺杂Poly－Si：
域随气流流动到反应腔出口并排出

CVD生长简化过程

CVD生长简化过程（平面示意图）

影响CVD生长速率的因素
1. 质量传输限制（常压CVD） 2. 表面反应限制（低压CVD）
3. CVD气流动力学
4. CVD反应中的压力

CVD过程中的掺杂（原位掺杂）
1. 生长BPSG（做ILD－1） SiH4 ＋PH3＋B2H6＋O2 → SiO2 ＋P＋B＋H2

器件隔离 器件隔离：在IC制造中的器件隔离技术为硅片上 的器件提供了电学隔离。

MOS IC的隔离原理：减小或消除在MOS平面制 造中的寄生场效应晶体管。
1. 局部氧化（LOCOS）－ ≥ 0.35μm器件 2. 浅槽隔离（STI）－≤0.25μm器件

STI的主要优点： 1. 隔离面积小 2. 抗闩锁能力强
1. 好的台阶覆盖能力
2. 填充高深宽比间隙的能力
3. 好的厚度均匀性
4. 高纯度和高密度
5. 受控制的化学剂量 6. 高度的结构完整性和低的应力 7. 好的电学特性 8. 对衬底材料或下层膜有好的粘附性

好的台阶覆盖能力
（a）台阶覆盖太差
（b）台阶覆盖好

填充高深宽比间隙的能力
高深宽比的典型值≥3：1
PECVD
SiXNYHZ
等离子体 冷壁
250～400
20～30
膜均匀性好、颗粒少、应力 偏大、成分不成化学比
7.4 介质及其性能

介电常数：是指材料在电场影响下存储电势能的有 效性，是代表隔离材料作为电容的能力。 介电常数影响器件性能－RC延迟

互连延迟：IC的集成度不断提高，互连线宽度减小， 使得传输信号导线电阻（R）增大，且导线间距也 缩小使导线间的寄生电容（C）增加，最终增加了 RC信号延迟降低芯片速度。
650～750
（TEOS）
LPCVD
Si3N4
Poly－Si
SiO2 （包括PSG、 BPSG）
电阻加热 热壁
电阻加热 热壁 等离子体 冷壁
700～800
575～650 250～400
（ SiH4）
10～15
15～20 50～60
膜均匀性好、颗粒少、台阶 覆盖非常好、成本低 国内外普遍采用
膜均匀性好、颗粒少、台阶 覆盖非常好、成本低 国内外普遍采用 膜均匀性好、颗粒少、台阶 覆盖好、沉积温度低、沉积 速率较高、成本低
也可在沉积后进行扩散或离子注入掺杂


等离子增强化学气相沉积的概念
PECVD（Plasma Enhanced CVD）
PECVD是通过在真空腔中给反应气体施加等离子
体能量（即通常施加射频功率几百瓦，频率几百千
赫），使反应气体激发产生化学活性很强的分子、 原子，加速化学反应沉积成膜。

PECVD系统
温度： 650℃～750℃
压力： 0.1～5.0Torr
沉积速率：10～15nm/分（远远小于APCVD）
优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都好。
LPCVD的优点：膜致密，颗粒少。
LPCVD的缺点：沉积速率慢。
APCVD SiO2和 LPCVD SiO2的比较
工艺 优点 缺点
APCVD 沉积速率高 表面颗粒多 SiO2 台阶覆盖和间隙填充 用气量大成本高 较好 （用TEOS） 薄膜应力大 沉积温度低

好的厚度均匀性
该特性主要依赖于设备的性能，一般≤±5% 均匀性不好给刻蚀带来困难，影响器件良率

高纯度和高密度
高纯度是指没有影响膜质量的化学元素和原子，要 避免可动离子沾污和颗粒；高密度是指薄膜的针孔 和空洞少

受控制的化学剂量
指化学组分受控，沉积中化学反应复杂，工艺目标 是生长薄膜的组份达到或接近化学比如Si3N4 ， SiO2等
（Chemical Vapor Deposition）
化学气相沉积是利用电阻加热、等离子体、
光辐射等能源使某些气态物质发生化学反应，
生成固态物质并沉积在衬底表面形成薄膜的
过程。

CVD生长过程

CVD生长过程
域到硅片表面的沉积区域
1. 气体传输至沉积区域：反应气体从反应腔入口区
2. 膜先驱物的形成：气相反应导致膜先驱物（组成 膜最初的原子和分子）和副产物的形成

高度的结构完整性和低的应力
晶粒尺寸变化→膜的电学和机械特性变化
膜应力大→硅片衬底变形，膜分层、开裂

好的电学特性
介质膜：电绝缘性能好、介电常数：高K↑低K↓
金属膜：导电性能好、可靠性高

对衬底材料或下层膜好的粘附性
粘附性好的薄膜与下层材料之间不分层、不开裂

成膜术语 金属层是电路中元器件的互连线。 介质层是硅器件与金属层之间或金属层与 金属层的电绝缘层。也称为层间介质ILD （InterLayer Dielectric）
良的IC器件：
例如双极电路由于有了P衬底N外延使隔离变得容 易；为改善电路性能，由于有外延，高浓度埋层的 植入轻易实现。
本章习 题

书中第11章：15、26、40
本章作业
P2O5和B2O3的含量分别控制≤4％ 、2～6％
2. 生长掺磷的Poly－Si SiH4 ＋PH3→ Si＋P＋H2
7.3 化学气相沉积工艺

常压APCVD系统

APCVD工艺
APCVD通常用于沉积SiO2和掺杂的氧化硅（PSG、
BPSG、FSG等），这些薄膜主要用于层间介质
ILD和槽介质填充。
成 3. 膜先驱物附着在硅片表面：大量的膜先驱物输运 核 到硅片表面
4. 膜先驱物吸附：膜先驱物粘附在硅片表面
岛 5. 膜先驱物扩散：膜先驱物向膜生长区域的表面 生 扩散 长 成 膜
6. 表面反应、连续成膜：表面化学反应导致膜沉 积和副产物的生成
7. 副产物从表面移除：移除表面反应的副产物
8. 副产物从反应腔移除：反应的副产物从沉积区
硅外延层或P型硅外延层。

自掺杂现象 通常的硅外延基片是高浓度掺杂的衬底， 在高
温外延过程中，衬底中的杂质向外延层中扩散的 过程称为自掺杂现象。 自掺杂现象影响外延质量，给外延层掺杂带来困 难。低压外延可大大减轻自掺杂现象。

外延的特点 根据要求控制导电类型、电阻率、厚度等且与衬底 的掺杂种类、掺杂浓度无关，基于此能做出性能优
7.5 外 延

外延的概念 外延是在单晶衬底上生长与衬底晶格结构、晶向完 全相同的单晶薄膜的过程。

硅气相外延VPE （Vapor Phase Epitaxy）：是利用 硅的气态化合物（例如通常是SiCl4、SiH2Cl2 ）和 H2在真空腔中加热反应沉积在单晶衬底上。


外延VPE工艺
VPE是一种 化学气相沉积（CVD），其工艺如下：
低压LPCVD系统


低压LPCVD工艺
LPCVD SiO2：掺杂和不掺杂的主要用做ILD、浅槽 介质填充和侧墙等。
1. 用SiH4沉积SiO2：
SiH4＋O2 →SiO2＋H2
温度：450℃ 压力：0.1～5.0Torr 缺点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都差。
2. 用TEOS热分解沉积SiO2： Si（C2H5O4） → SiO2 ＋ H2O ＋ CO2
优点：颗粒少
■
PECVD SiO2的特点：
1. PECVD的成膜温度比APCVD和LPCVD还要低 （通常在300℃～400℃ ） 2. 沉积速率高
3. 冷壁反应，产生颗粒少
4. 与APCVD SiO2 比更均匀，针孔少
■
PECVD SiO2的用途：
1. 做顶层的钝化层 2. 做ILD和槽填充
■
温度：400℃
压力：760Torr
沉积速率：100nm/分
优点：台阶覆盖能力和间隙填充能力都较好。
APCVD的一大优点：沉积速率快。
APCVD的缺点：膜致密性差，颗粒多。

掺杂氧化硅：
（ PSG）
PSG的优点：
1. 在APCVD SiO2时掺杂PH3就能形成磷硅玻璃
a. 吸附可动离子电荷改善器件表面
PECVD 氮化硅工艺
SiH4＋ NH3 → SixNY HZ＋ H2
SiH4＋ N2 → SixNY HZ＋ H2
温度：350℃
压力：0.1～1.0Torr 沉积速率：20～30nm

PECVD 氮化硅的特点：
1. 冷壁反应，产生颗粒少 2. 氮化硅膜的成分不成化学比
3. 应力比较大
■
PECVD 氮化硅的用途：

集成电路所需要的各种薄膜
在集成电路制造中，仅有热生长SiO2薄膜远远不够， 还需要低温SiO2薄膜、氮化硅Si3N4薄膜、多晶硅 poly－Si薄膜以及各种金属薄膜。
MSI时代CMOS器件的各层薄膜

ULSI芯片中的各层金属薄膜

薄膜沉积技术分类
、溅射
7.2 化学气相沉积原理

化学气相沉积CVD的概念
PECVD设备 美国TRION公司 的MINI型设备

■
PECVD SiO2工艺：
SiH4＋O2 →SiO2＋H2 温度：350℃ 压力：0.1～1.0Torr 沉积速率：50～60nm/min 缺点：颗粒较多
1. 用 SiH4加O2 沉积SiO2：
2. 用 SiH4加N2 O沉积SiO2： SiH4＋2N2 O→SiO2＋2N2 ＋2H2 温度：350℃ 压力：0.1～1.0Torr 沉积速率：50～60nm/min